《Linux系统编程训练营》8_Linux 终端与进程

详解控制台与终端

有趣的问题：Linux 的终端，控制台，TTY, PTY 究竟是什么？它们与进程有什么关系？

历史回顾：控制台

• 控制台是一个直接控制设备的面板（属于设备的一部分）
• 计算机设备的控制台：按键 & 指示灯 （键盘 & 显示器）
• 早期的电子计算机必然有一个控制台

历史回顾：终端 （Terminal）

• 终端是一台独立于计算机的机器，是能够用来和计算机进行交互的设备

TTY -- 即：TeleType Writer 电传打字机，一种终端设备

历史发展进程。。。

• 电传打字机已经淘汰
• 计算机上的输入设备和显示设备从主机独立出来
• 控制台与终端的物理表现形式逐渐趋近
• 计算机开始支持多任务处理
• 。。。

终端与进程

• TTY 演变为 Linux 中的抽象概念，对于进程而言，TTY是一种输入输出设备

虚拟终端与伪终端

各种终端类型

类型	说明
虚拟终端(Virtual Terminal)	将这一套键盘和显示器映射为 6 个终端设备	/dev/tty1~tty6 tty0指代当前使用的终端 (CLI虚拟出)
串口终端（Serial Port Terminal）	将连接到窗口的外设看看作终端设备	/dev/ttyS1,...
终端模拟器（Terminal Emulator）	终端模拟程序（广义） / 内核模拟模块（侠义）	Putty, MobaXTERM, 内核模块，伪终端
伪终端（Pseudo Terminal）	运行在用户模式的终端模拟程序，分为主设备（pty master）和从设备（pty slave）	/dev/ptmx（主）, /dev/pts/3（从）, ...

内核终端模拟器

伪终端模型

伪终端（gnome-terminal）

伪终端

tiansong@tiansong:~$ pstree -A -p -s $$
systemd(1)---systemd(968)---gnome-terminal(1885)---bash(1973)---pstree(2052)

虚拟终端

ubuntu 由 GUI 切换到 CLI ： CTRL + ALT +F3

tiansong@tiansong:~$ pstree -A -p -s $$
systemd(1)---login(2064)---bash(2118)---pstree(2125)

ubuntu 由 CLI 切换到 GUI ： CTRL + ALT +F1

伪终端程序设计原理

站在 shell 角度的总结：
1. shell 面对的只有 TTY 设备，而 TTY 是 Linux 中的抽象概念，因此需要一个具体的模块来支持这个抽象的概念
2. 对于虚拟终端，支持这个概念的模块就是终端模拟器（内核模块，运行于内核模式），可以直接使用键盘、显卡驱动进行输入输出
3. 对于伪终端，创建主、从设备，其中 shell 进程对接的是从设备，主设备对接用户进程 gnome-terminal (本质是 GUI 应用程序)

伪终端程序设计（master）

• 创建 PTY 主从设备： master = posix_openpt(O_RDWR);

• 获取主设备权限：

  • grantpt(master); // 获取设备使用权限
  • unlockpt(master); // 解锁设备，为读写做准备

• 读写主设备

  • c = read(master, &rx, 1);
  • len = write(master, txbuf, strlen(txbuf));

伪终端程序设计（slave）

• 打开 PTY 从设备，slave = open(path_to_slave, O_RDWR);

• 读写设备：

  • write(slave, "Delphi\r", 7);
  • read(slave, buf, sizeof(buf) - 1);

实战伪终端程序设计

master.c

#define _XOPEN_SOURCE  600
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    char rx = 0;
    char rxbuf[128] = {0};
    char txbuf[256] = {0};
    int master = 0;
    int c = 0;
    int i = 0;

    master = posix_openpt(O_RDWR);                         // 连接主设备，等同于 gnome-terminal

    if (master > 0) {
        grantpt(master);
        unlockpt(master);

        printf("Slave: %s\n", ptsname(master));

        while ((c = read(master, &rx, 1)) == 1) {
            if (rx == '\r') {
                rxbuf[i] = 0;
                sprintf(txbuf, "from slave: %s\r", rxbuf);  // 等同于屏幕输出
                write(master, txbuf, strlen(txbuf));        // 等同于键盘输入
            } else {
                rxbuf[i++] = rx;
            }
        }
    }
    else {
        printf("create pty error...\n");
    }

    return 0;
}

tiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ gcc master.c -o master.out
tiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ ./master.out   // 不终止
Slave: /dev/pts/0

slave.c

#define _XOPEN_SOURCE  600
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int slave = open(argv[1], O_RDWR);  // 等同于 shell

    if (slave > 0) {
        char buf[256] = {0};
        char *data = "D.T.Software\r";
        int len = strlen(data);

        write(slave, data, len);

        sleep(1);

        len = read(slave, buf, sizeof(buf) - 1);
        buf[(len > 0) ? len : 0] = 0;

        printf("Read: %s\n", buf);  // system(...)

        close(slave);
    }
    else {

    }

    return 0;
}

tiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ gcc slave.c -o slave.out
tiansong@tiansong:~/Desktop/linux$ ./slave.out /dev/pts/0  // 新终端执行
Read: from slave: D.T.Software

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终端必然与进程关联才有意义！那么，进程之间除了父子关系，是否还有其它关系？